DE872225C

DE872225C - Device for generating extremely short electromagnetic waves

Info

Publication number: DE872225C
Application number: DEC4690A
Authority: DE
Inventors: Werner Kleen
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1950-09-23
Filing date: 1951-09-12
Publication date: 1953-03-30
Also published as: FR1024850A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung von äußerst kurzen elektromagnetischen Wellen mit Hilfe einer besonderen, mit einem Elektronenstrahl arbeitenden Röhre und einer zugehörigen Einrichtung, welche diesen Strahl periodisch unterbricht. Nach ihrem Grundgedanken besteht die Erfindung in einer Kombination einer Röhre, welche sehr hohe Frequenzen erzeugt, indem die Unterbrechungen des Elektronenstrahles in einen äußeren, mit der Frequenz der Unterbrechungen oder mit einer ihrer Harmonischen in Erscheinung tretenden Wirkung umgewandelt werden, mit einer Wanderwellenröhre, in welcher die: Wechselwirkung zwischen dem dieser äußeren Wirkung entsprechenden Elektronenstrom und den durch diesen Strom erregten Wanderwelleii eintritt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Fall, wo die das Wanderwellensystem erregende Unterbrechungsfrequenz ein Vielfaches der Frequenz einer Leiteinrichtung ist, durch welche diese Unterbrechungen gesteuert werden.The invention relates to a device for generating extremely short electromagnetic Waves with the help of a special tube working with an electron beam and an associated device which periodically interrupts this beam. According to their basic idea The invention consists in a combination of a tube which generates very high frequencies by the interruptions of the electron beam in an outer one, with the frequency of the interruptions or can be transformed with one of its harmonics appearing effect a traveling wave tube, in which the: interaction between this external effect corresponding electron current and the traveling wave excited by this current occurs. In particular the invention relates to the case where the interruption frequency exciting the traveling wave system is a multiple of the frequency of a routing facility through which these interruptions being controlled.

Die gewünschten Unterbrechungen des Elektronenstrahles werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer an sich bekannten Einrichtung erzeugt, durch welche der Strahl so abgelenkt und in Umlauf versetzt werden kann, daß er einen Kegel beschreibt; hierbei bestreicht der Strahl eine in geeigneter Weise gelochte Fläche, die senkrecht zu der Kegelachse in der Weise eingefügt ist, daß nach Durchtritt durch die Lochungen Ströme erzeugt werden, deren Frequenz gleich ist dem Produkt der Umlauffrequenz des Strahles und der Unterbrechungszahl auf Grund der Lochungen während eines Strahlumlaufes. The desired interruptions of the electron beam are according to the invention with the help generated by a device known per se, by means of which the beam is so deflected and put into circulation can be that it describes a cone; here the beam sweeps a suitable one Way perforated surface which is inserted perpendicular to the cone axis in such a way that after passage Currents are generated through the perforations, the frequency of which is equal to the product of the rotational frequency of the jet and the number of interruptions due to the perforations during a jet revolution.

Der Umlauf des Strahles wird erreicht, indem man nach einem bekannten Verfahren ein zeitlichThe circulation of the beam is achieved by following a known method in terms of time

konstantes Längsmagnetfeld und-ein -elektrisches* Querfeld vorsieht, welches sich mit einer Hochfrequenz ändert, die der Umlauffrequenz des Strahles entspricht. Die Elektroden, zwischen welchen das elektrische Feld erzeugt wird, können die Kapazität bestimmen, welche in einen mit der abgeleiteten Frequenz erregten Schwingungskreis eingeschaltet ist.constant longitudinal magnetic field and one electric * Transverse field provides, which changes with a high frequency that is the orbital frequency of the Corresponds to the beam. The electrodes between which the electric field is generated can Determine capacitance, which is switched into an oscillating circuit excited with the derived frequency is.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ίο ergeben sich aus> der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigtFurther details and advantages of the invention result from> the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing shows

Fig. ι ein Ausführungsbeispiel einer im Längsschnitt dargestellten Röhre, welche zur Verwirkliehung der Erfindung erforderlich ist,Fig. Ι an embodiment of a in longitudinal section shown tube, which is necessary for the implementation of the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils dieser Röhre, .-.-... .Fig. 2 is a schematic representation of part of this tube,.-.-....

Fig. 3 einen Querschnitt der die Frequenzvervielfachung bewirkenden Elektrode, Fig. 4 ein Diagramm des Elektronenstromes,Fig. 3 is a cross section of the frequency multiplication causing electrode, Fig. 4 is a diagram of the electron flow,

Fig. 5 eine bauliche Einzelheit eines Teils der Röhre. .Fig. 5 is a structural detail of part of the tube. .

In Fig. ι ist 1 eine Kathode, deren Strom durch die Elektrode 2 gebündelt und durch die Elektrode 3 beschleunigt wird. Der erzeugte Elektronenstrahl 4 wird in einen in Fig. 5 dargestellten Hohlraum 5 geschickt, in welchem zwei Elektroden 6 und 7 einen Kondensator zur Ablenkung des Strahles bilden, wobei die Kapazität dieses Kondensators ein Teil eines Kreises ist, welcher auf eine Frequenz einer Leiteinrichtung, die diesen Kreis erregt und durch eine Schleife 8 angekoppelt ist, abgestimmt wird.In Fig. Ι 1 is a cathode, the current through the electrode 2 is bundled and accelerated by the electrode 3. The generated electron beam 4 is sent into a cavity 5 shown in Fig. 5, in which two electrodes 6 and 7 Form a capacitor for deflecting the beam, the capacitance of this capacitor is a part of a circuit, which is at a frequency of a guide device that excites this circuit and is coupled by a loop 8, is tuned.

Der Hohlraum 5 ebenso wie die ganze- Röhre ist in einem homogenen und zeitlich konstanten Magnetfeld angeordnet, welches nach der Röhrenachse, d. h. in Richtung des mittleren Verlaufes des Elektronenstrahles, gerichtet ist. Dieses Magnetfeld wird durch die Wicklung 9 erzeugt, und seine Induktion B wird so gewählt, daß, wenn das zwischen 6 und 7 angelegte elektrische Feld sich mit der Frequenz f_p ändert (die der Frequenz der durch die Schleife 8 angekoppelten Leiteinrichtung gleich ist), die Elektronen in diesen elektrischen und magnetischen Feldern genau mit der Frequenz f_p um . die Röhrenachse in Umlauf versetzt werden. Die Theorie zeigt, daß B dann den, Wert haben muß, welcher sich durch folgende Gleichung in Gauß ergibt, wenn f_p in Hz ausgedrückt wird: 'The cavity 5 as well as the whole tube is arranged in a homogeneous and temporally constant magnetic field which is directed along the tube axis, ie in the direction of the central course of the electron beam. This magnetic field is generated by the winding 9, and its induction B is chosen so that, when the electric field applied between 6 and 7 changes with the frequency f _p (which is equal to the frequency of the guide device coupled by the loop 8), the electrons in these electric and magnetic fields exactly with the frequency f _p um. the tube axis can be set in rotation. The theory shows that B must then have the 'value which results from the following equation in Gauss, if f _{p is} expressed in Hz:'

'Β = 3,56 · ™~% .(i) 'Β = 3.56 · ™ ~% . (I)

Am Ausgang des Hohlraumes 5 ist in den Weg des Strahles eine Wand 10 eingefügt, die mit einer gewissen Anzahl η radialen Schlitzen versehen ist,At the exit of the cavity 5, a wall 10 is inserted in the path of the beam, which is provided with a certain number η of radial slots,

.55 so daß der Strahl, wenn er auf der Fläche dieser Elektrode (Fig. 3) einen. Kreis, α beschreibt, von ihr mit Unterbrechungen aufgefangen wird und nur in Zeiträumen hindurchgeht, die in bezug· auf seine Umlauf zeit kurz sind. Auf der entgegengesetzten Seite der Wand 10 ergeben sich somit nf_p Impulse des Elektronenstrahles pro Sekunde..55 so that the beam, when it is on the surface of this electrode (Fig. 3) a. Circle, α describes, is caught by it with interruptions and only passes through in periods of time which are short in relation to its orbital period. On the opposite side of the wall 10 there are thus nf _p pulses of the electron beam per second.

In dem nach dem Hohlraum 5 befindlichen TeilIn the part located after the cavity 5

der Röhre ist eine Verzögerungsleitung angeordnet, die m Fig. 1 in Form einer Wendel 11 dargestellt ist, welche um einen auf dasselbe Gleichspannungspotential wie die Wendel gebrachten Leiter 12 gewickelt ist. Die Erfindung ist indessen nicht auf diese Form einer Verzögerungsleitung beschränkt, sondern umfaßt die Verwendung jeder linearen Leitung, bei welcher der Elektronenstrahl in axialer Richtung hindurchtreten kann und welche die Eigenschaft hat, eine Wanderwelle zu erzeugen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Bewegungsrichtung des Strahles fast gleich ist der Geschwindigkeit der Elektronen in derselben Richtung.A delay line is arranged in the tube, which is shown in FIG. 1 in the form of a helix 11 which is wound around a conductor 12 brought to the same direct voltage potential as the coil is. However, the invention is not limited to this form of delay line, but includes the use of any linear line in which the electron beam is in an axial direction Direction can pass through and which has the property of generating a traveling wave, whose speed of propagation in the direction of movement of the beam is almost equal to the speed of electrons in the same direction.

Gemäß der Erfindung wird die elektromagnetische Welle in dieser Leitung durch die in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Strahlimpulse erregt, wobei der Strahl weiterhin parallel zu der Leitung mit einer Geschwindigkeit umläuft, die annähernd der Geschwindigkeit der Wanderwelle gleich ist. Am Ende der Wendel ist in bekannter Weise ein beliebiges Kopplungsmittel, z. B. ein mit dem Wendelausgang verbundener Dipol 13, vor-.gesehen, um die Hochfrequenzleistung in einen nicht dargestellten Hohlraumleiter zu schicken. -Am Ende der Röhre werden die Elektronen durch einen Sammler 14 aufgefangen.According to the invention, the electromagnetic wave in this line is through the in the Excited beam pulses obtained in the manner described above, the beam remaining parallel to the Line rotates at a speed that is approximately the speed of the traveling wave is equal to. At the end of the helix, any coupling means such. B. a with Dipole 13 connected to the helix output, provided, to send the high frequency power in a hollow conductor, not shown. At the end of the tube, the electrons are collected by a collector 14.

Die beschriebene Röhre arbeitet in folgender Weise: Die Theorie zeigt, daß ein Elektronenstrahl, der sich in einem konstanten Längsmagnetfeld B verschiebt, welches einem elektrischen Querfeld E mit der Frequenz f_p überlagert ist, sich auf der Oberfläche eines Kegels gemäß Fig. 2 bewegt, wenn die Bedingung der Gleichung (1) erfüllt ist. Der Strahl läuft um seine Achse mit der Frequenz f_p um. Am Ausgang des ablenkenden Feldes behält der Strahl seinen Umlauf bei, jedoch werden die Elektronenbahnen Geraden, die zu der Achse parallel verlaufen. Wenn die Austrittswand des Hohlraumes η radiale Schlitze aufweist, werden in die nach dieser Wand befindliche Verzögerungsleitung nf_p Elektrohenimpulse pro Sekunde geschickt. Diese Impulse enthalten die Grundkomponente nf_p und ihre zahlreichen Harmonischen 2 nf_p usw., wobei die Amplitude der Komponente nf_p am größten ist. Daraus folgt die Entstehung von Elektronenströmen mit entsprechenden Frequenzen, wie in Fig. 4 veranschaulicht, welche den Verlauf der Elektronenströme in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt. Die Kurve b zeigt die Form der in die Verzögerungsleitung eintretenden; Impulse, während die gestrichelte Kurve c die Grundkomponente "t mit der Frequenz f = nf_p dieses impulsförmigen Elektronenstromes zeigt. ■ ■ -. 'The tube described works in the following way: The theory shows that an electron beam, which moves in a constant longitudinal magnetic field B , which is superimposed on a transverse electric field E with the frequency f _p , moves on the surface of a cone according to FIG. when the condition of equation (1) is satisfied. The beam revolves around its axis with the frequency f _p . At the exit of the deflecting field, the beam retains its orbit, but the electron trajectories become straight lines that run parallel to the axis. If the exit wall of the cavity η has radial slots, nf _p electrode pulses per second are sent into the delay line located after this wall. These pulses contain the fundamental component nf _p and its numerous harmonics 2 nf _p etc., the amplitude of the component nf _{p being} the greatest. This results in the creation of electron currents with corresponding frequencies, as illustrated in FIG. 4, which shows the course of the electron currents as a function of time. Curve b shows the shape of those entering the delay line; Pulses, while the dashed curve c shows the basic component "t with the frequency f = nf _{p of} this pulse-shaped electron flow. ■ ■ -."

Bekanntlich erregt ein in -eine Verzögerungsleitung geschickter Hochfrequenzelektronenstrom am Ausgang dieser Leitung mehrere elektromagnetische Wellen mit der Frequenz des Elektronenstromes. Aus der Theorie der Wanderwellenröhren ist ferner bekannt, daß die Amplitude einer dieser erregten Wellen auf ihrem Weg verstärkt wird, wenn sie von dem Elektronenstrahl begleitet wird, : dessen Elektronen annähernd dieselbe Geschwindigkeit v.= 595.:.γ~ΰ besitzen, wie die Ausbreittmgsphase der Welle in der. Leitung, wobei ν die. Ge-As is known, a high-frequency electron current sent into a delay line excites several electromagnetic waves at the output of this line with the frequency of the electron current. From the theory of traveling wave tubes it is also known that the amplitude of one of these excited waves is increased on its way if it is accompanied by the electron beam whose electrons have approximately the same speed v. = 595 .:. Γ ~ ΰ as the Propagation phase of the wave in the. Line, where ν the. Ge

schwindigkeit in Kilometer pro Sekunde und U die Spannung zwischen ' der Verzögerungsleitung, und der Kathode in Volt ist. Am Ausgang der'Leitung kann die verstärkte Leistung dieser Welle -demnach mittels einer geeigneten Kopplung an die Belastung abgegeben werden. ._■ ; ""■"■__speed in kilometers per second and U is the voltage between the delay line and the cathode in volts. At the output of the line, the increased power of this wave can then be delivered to the load by means of a suitable coupling. ._ ■; "" ■ "■ __

Fig. 5 zeigt beispielsweise gewisse Einzelheiten des Hohlraumes 5 der Fig. i. Die Ablenkplatten f> und 7 werden durch Träger gehalten,-welche mitFor example, FIG. 5 shows certain details of the cavity 5 of FIG. The baffles f> and 7 are held by carriers, -which with

ίο den zylindrischen Wanden dieses Hohlraumes verbunden sind. Die Eintrittswand 15 besitzt eine Öffnung für den Durchtritt des Strahles, und die Austrittswand 10 ist mit Schlitzen versehen, wie in Fig. 3 gezeigt. Bei 16 sind elastische Wandteile vorgesehen, um die Abstimmung des Hohlraumes auf die Frequenz der Erregervorrichtung zu ermöglichen, indem man die Wände deformiert und die Elektroden 6, 7 einander mehr oder weniger nähert.ίο connected to the cylindrical walls of this cavity are. The entrance wall 15 has an opening for the passage of the beam, and the exit wall 10 is provided with slots as shown in FIG. At 16 are elastic wall parts provided to enable the cavity to be matched to the frequency of the excitation device, by deforming the walls and the electrodes 6, 7 each other more or less approaching.

Im folgenden wind ein zahlenmäßiges' Beispiel für die Anwendung der Erfindung beschrieben. Es sei die Wellenlänge der Erregereinrichtung mit λ = iocm entsprechend der Frequenz/_p = 3000 MHz angenommen. Die Gleichung (1) ergibt dann B= 1068 Gauß. Bei einer Länge des Ablenkfeldes L = ι cm (Fig. 2), einer dem Eingangskreis zugeführten Gleichspannung V = 900 Volt und einem Radius des von dem Strahl auf der Austrittswand beschriebenen Kreises r = 0,2 cm (Fig. 3) errechnet sich das elektrische Hochfrequemzfeld nach der BeziehungA numerical example for the application of the invention is described below. Let us assume the wavelength of the excitation device with λ = iocm corresponding to the frequency / _p = 3000 MHz. Equation (1) then gives B = 1068 Gauss. This is calculated with a length of the deflection field L = ι cm (Fig. 2), a DC voltage V = 900 volts supplied to the input circuit and a radius of the circle described by the beam on the exit wall r = 0.2 cm (Fig. 3) high frequency electric field after the relationship

E = E =

3,3 ·3.3 ·

(2)(2)

mit den angegebenen Zahlenwerten E = 5400 V/cm. Die von der Leiteinrichtung gelieferte und an den Elektronenstrom abgegebene Eingangsleistung ergibt sich in Watt aus folgender Beziehung:with the specified numerical values E = 5400 V / cm. The input power supplied by the control device and transferred to the electron stream results in watts from the following relationship:

16 V 16 V

(3)(3)

Bei einem Strom I₀ des Elektronenstrahles von z. B. 10 mA wird somit eine Eingangsleistung P von etwa 20 W benötigt.At a current I _{0 of} the electron beam of z. B. 10 mA, an input power P of about 20 W is required.

Wenn die Schlitzzahl in der Wand 10 η = 8If the number of slots in the wall is 10 η = 8

beträgt, erhält man am Ausgang eine mit 8 ver-at the output you get an 8 marked

' vielfachte Frequenz f_p, nämlich eine Wellenlänge von 12,5 mm im freien Raum. Die Frequenz könnte jedoch noch höher sein, wenn, anstatt die Grundkomponente zu verstärken, die Verzögerungsleitung so bemessen wird, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wechselwirkung mit einer der Harmonischen 2nf„, 3nfp... längs der Verzögerungs-'Multiple frequency f _p , namely a wavelength of 12.5 mm in free space. The frequency could, however, be even higher if, instead of amplifying the fundamental component, the delay line is dimensioned in such a way that the propagation speed of the interaction with one of the harmonics 2 nf ", 3 nfp ... along the delay

leitung angepaßt wird, um diese betreffende Harmonische zu verstärken. Die Erfindung erstreckt sich selbstverständlich auf alle diese Möglichkeiten. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern läßt zahlreiche Abwandlungen ihres Grundgedankens zu. Die Form des in Fig. 5 dargestellten Eingangskreises ist für die Erfindung nicht einschränkend, vielmehr lassen sich auch andere Formen ausbilden, welche ein. elektrisches .Ablenkfeld quer zu- einem Magnetfeld hervorbringen können.line is adapted to this harmonic in question to reinforce. The invention naturally extends to all of these possibilities. The invention is not limited to the embodiment described, but allows numerous Modifications of their basic idea to. The shape of the input circle shown in FIG is not limiting for the invention, rather other shapes can also be formed, which one. electrical deflection field at right angles to one Can produce a magnetic field.

Die Beschieunigungselektrode des Elektronene;rzeugers könnte unmittelbar- durch die Eintrittswand des ,.Hohlraumes gebildet werden. Ferner könnte "die Austrittselektrode. dieses Hohlraumes, anstatt durch eine Wand dieses Hohlraumes gebildet zu werden, eine getrennte Elektrode sein, die an einer geeigneten Stelle zwischen Eingangskreis und Verzögerungsleitung eingefügt wird. Die Form der Verzögerungsleitung und deren Kopplung mit der Belastung können nach irgendeiner bekannten Art ausgebildet werden. Schließlich könnte man an Stelle einer einzigen Verzögerungsleitung mehrere Leitungen vorsehen, von denen jede hinter einem Teil der Schlitze der Austrittselektrode des Eingangskreises angeordnet ist. The acceleration electrode of the electron generator could be formed directly through the entry wall of the cavity. Further could "the exit electrode. of this cavity, instead of being formed by a wall of this cavity, be a separate electrode, which is inserted at a suitable point between the input circuit and the delay line. the Shape of the delay line and its coupling with the load can be according to any known type are trained. Finally, instead of a single delay line, several lines could be provided, of which each is arranged behind a part of the slots of the exit electrode of the input circuit.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Device for generating extremely short electromagnetic waves, marked through a traveling wave tube whose delay line with the electron beam interacts, this before its entry into the interaction space is subjected to a periodic interruption.

2. Device according to claim 1, characterized in that the beam is interrupted by a device which is controlled by a master frequency and allows the electrons to describe a helical line on a conical surface, an electrode being inserted transversely to the beam axis which has a row of circularly swept by the beam openings and passes a series of electron current pulses to excite the traveling wave tube.

3. Device according to claim 2, characterized in that the space in which the Electrons describe a conical helix, from a time constant axial magnetic field and a transverse electric field that changes with the master frequency is enforced.

4. Device according to claim 3, characterized in that the space in which the Electrons describe a conical helix, a cavity in which two Electrodes are arranged to deflect the beam through the electrical transverse field and the entrance wall of which has an opening for the beam passage, while the exit wall is provided with openings for the beam interruption.

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the traveling wave tube has several delay lines, each behind a part of the openings of the Interrupting electrode are arranged.

6. Device according to claim 2 to 5, characterized in that the beam speed

speed in relation to the output characteristics of the delay line is set so that the gain is one in the adjacent Wave contained harmonics is achieved whose fundamental frequency. the secondary Number of interruptions of the beam corresponds.

7. Device according to claim 4, characterized in that that part of the wall of the cavity is elastic for the circulation of electrons is to tune to the rotational frequency by changing the distance between the Allow deflection electrodes of the beam.

1 sheet of drawings